植物吸收满足正常生长发育所需的铁(Fe)元素的同时,还要避免摄入过多的Fe而产生毒害作用,因此需要在外源Fe缺乏的情况下迅速激活其吸收系统,而在外源Fe充足的条件下能够降低或者关闭Fe的吸收。
在以拟南芥为代表的双子叶植物通过还原策略(reductive strategy)吸收Fe,具体为:三价铁还原酶FRO2能够将外源的Fe3 还原为Fe2 ,进而可通过转运蛋白IRT1摄入到根系中【1, 2】。拟南芥bHLH转录因子家族成员FIT(FER-like iron deficiency-induced transcription factor)能够与其它Ib亚家族的成员(如bHLH38/39/100/101等)形成异源二聚体并直接结合到FRO2和IRT1等与Fe吸收相关关键基因的启动子区域,调控400个左右基因的表达,是转录水平上激活Fe吸收系统的核心转录因子【3-6】。然而,在外界可用Fe充足的情况下这一系统如何失活还不得而知。
近日,来自英国John Innes Centre的Janneke BalK博士研究团队发现拟南芥中两个E3连接酶AtBTSL1和AtBTSL2能够在外源Fe充足的情况下降解负责Fe吸收的关键转录因子FIT,从而关闭Fe的高效吸收。该途径是拟南芥响应外界可用Fe浓度变化的重要翻译后修饰手段。相关结果以题为Arabidopsis BRUTUS-LIKE E3 ligases negatively regulate iron uptake by targeting transcription factor FIT for recycling的论文发表在PNAS上。
该研究发现,AtBTSL1和AtBTSL2主要在根上半部分和下半部分的表皮、皮层细胞中表达,它们的表达也能在根冠处被检测到,而AtBTSL2在内皮层和中柱部分也有一定的表达。进一步研究发现,AtBTSL1和AtBTSL2的表达受Fe缺乏的诱导,并与诸如IRT1等与Fe吸收、螯合等基因呈共表达的特性。
在连续 Fe的条件下(control),btsl1 btsl2双突变体地上部分的Fe含量与野生型对照没有显著性差异,然而,当植株在缺Fe条件下生长三天转移到含Fe的条件下(Fe deficiency resupply),地上部分的含量与对照相比出现了显著增加。通过对不同条件下FRO2的酶活分析发现,野生型和btsl1 btsl2双突变体根系在缺Fe条件下FRO2的蛋白质活性没有显著性差异,当重新 Fe的第一天,野生型中的FRO2既回复到缺Fe之前的水平,然而,btsl1 btsl2双突变体中的酶活性一直到第3天仍然保持在较高的水平上。同样的是,负责Fe吸收的IRT1和关键转录因子FIT的蛋白质水平也在重新 Fe后2天内均保持在较高的水平。该结果表明,btsl1 btsl2中与Fe吸收相关蛋白的降解速率受到了显著的抑制。
研究人员发现AtBTSL1和AtBTSL2都能与FIT相互作用,且AtBTSL2比AtBTSL1具有更强的E3连接酶活性并能在体外使FIT泛素化,从野生型及btsl1 btsl2双突变体中提取的蛋白对FIT蛋白进行处理发现,与野生型来源蛋白一起孵育的FIT在一个小时左右即发生了明显的降解,而FIT蛋白在btsl1 btsl2双突变体中降解速度则很缓慢。而在蛋白酶抑制剂MG132的条件下FIT蛋白在两种情况下均没有出现降解。以上结果表明AtBTSL2可使FIT蛋白泛素化从而进入蛋白酶降解途径。
图1. BTSL1/2介导了Fe吸收模式图
在前人的研究基础上,研究人员进一步完善了拟南芥响应外界Fe浓度的变化改变Fe吸收的机制,即:在Fe缺乏时,FIT受诱导并与bHLH39形成异源二聚体激活IRT1、FRO2等基因的表达,而BTSL1/2受缺Fe诱导并能使FIT泛素化而进入降解途径,降低或者关闭IRT1、FRO2等Fe吸收相关基因的表达,避免摄入过多的Fe对植物产生毒害(图1)。此外,研究人员根据BTS及BTSL1/2的表达模式差异、修饰底物的不同,以及植物突变体表型的差异还完善了前人关于BTS及BTSL1/2在Fe稳态调控过程中的作用模式【7】(图2)。
图2. BTS及BTSL1/2在Fe稳态调控过程中的作用模式
参考文献:
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原文链接:
/content/116/35/17584.abstract?etoc=